Kompozyty przekładkowe

Ten artykuł od 2017-01 zawiera treści, przy których brakuje odnośników do źródeł. Należy dodać przypisy do treści niemających odnośników do źródeł. Dodanie listy źródeł bibliograficznych jest problematyczne, ponieważ nie wiadomo, które treści one uźródławiają. Sprawdź w źródłach: Encyklopedia PWN • Google Books • Google Scholar • Federacja Bibliotek Cyfrowych • BazHum • BazTech • RCIN • Internet Archive (texts / inlibrary) Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

Kompozyty przekładkowe (ang. sandwich) – materiały kompozytowe stanowiące dwie silne warstwy zewnętrzne oddzielone od siebie rdzeniem wykonanym z lekkich materiałów. Rolą rdzenia jest przeciwdziałanie deformacjom spowodowanym siłą prostopadłą do powierzchni zewnętrznych. Rdzeń może być wykonany z różnych materiałów: (polimerowe rdzenie porowate, lekkie drewno, struktura typu plaster miodu). Kompozytowe materiały przekładkowe znajdują zastosowanie m.in. w konstrukcji dachów, ścian, czy skrzydeł samolotów.

Właściwości mechaniczne

Konstrukcje sandwiczowe składają się z okładzin z materiałów o dobrych właściwościach mechanicznych, oddzielonych rdzeniem z lekkich materiałów. Skutkiem takiego rozwiązania jest, porównując to z konstrukcją litą o tej samej gęstości, podobna wytrzymałość na rozciąganie oraz znacząco większa wytrzymałość na zginanie. Naprężenia wywołane przez moment zginający są znacznie mniejsze w konstrukcji sandwiczowej.

Okładziny, wykonywane z materiałów o dobrych właściwościach mechanicznych mają za zadanie przenosić naprężenia rozciągające lub ściskające od sił podłużnych i momentów zginających. Rdzeń z kolei przenosi głównie naprężenia ścinające od sił poprzecznych. Ponadto oddziela od siebie okładziny, co zwiększa sztywność konstrukcji w przypadku cienkich okładzin, poprawia właściwości izolacyjne oraz zmniejsza ciężar, przy zachowaniu zbliżonych do konstrukcji litej właściwościach wytrzymałościowych.

Model obliczeniowy i formy zniszczenia

Pomimo lepszych niż materiały lite właściwości mechanicznych, materiały przekładkowe są narażone na różne formy zniszczenia. Rozpatrując formy zniszczenia, przyjmuje się model obliczeniowy, w którym zarówno materiały okładziny, jak i rdzenia są liniowo sprężyste, a rdzeń jest jednorodny. Ponadto siły podłużne i momenty zginające są przenoszone wyłącznie przez okładziny, a siły ścinające przez rdzeń. Dodatkowo ugięcia i przemieszczenia wszystkich warstw są identyczne. Wyróżnia się następujące formy zniszczenia^[1]:

• Globalne wyboczenie konstrukcji
• Delaminację połączoną z lokalnym wyboczeniem okładzin
• Ścinanie rdzenia
• Lokalne wyboczenie pojedynczej komórki (w przypadku rdzeni o strukturze siatkowej)

Rodzaje rdzeni w wyrobach przekładkowych

Polimerowe rdzenie porowate

Możliwe jest wytwarzanie rdzenia z gotowych płyt porowatych, wycinanie z bloków lub wprowadzanie komponentów do formy pomiędzy dwie warstwy laminatu nośnego z wytworzeniem struktury porowatej (metoda in situ). Stosuje się różne polimery: poliuretanowe, poliakrylowe, poliimidowe, fenolowo-formaldehydowe, polistyren ekspandowany i polichlorek winylu

Pianka poliuretanowa

Konstrukcje przekładkowe z pianką poliuretanową wytwarza się sposobem in situ. Efektem wytworzenia pianki poliuretanowej jest rdzeń lekki o porach częściowo zamkniętych i częściowo otwartych. Parametry takie jak gęstość czy twardość zależą od producenta, receptury i zastosowanej technologii, a możliwa do uzyskania termoodporność dochodzi do 150 °C.

Polistyren ekspandowany

Polistyren ekspandowany (styropian) jest już gotowym materiałem rdzeniowym w postaci płyt lub bloków. Inną metodą wytwarzania jest zastosowanie perełek styropianu wstępnie ekspandowanych i wprowadzenie ich między dwie warstwy laminatu, a następnie dalsza ekspansja styropianu poprzez ogrzanie. W ten sposób otrzymuje się warstwę lekkiego rdzenia, którą przykleja się do laminatów pokrytych wcześniej klejem epoksydowym. Tak wytworzony rdzeń jest mikroporowaty o zamkniętych porach, a właściwości mechaniczne i gęstość zależą od stopnia zasypu formy kulkami styropianu. Tego typu wyroby, pomimo małej gęstości 40 kg/m³, z powodu słabych właściwości mechanicznych stosowane są do konstrukcji mało obciążonych. Typowym przykładem są kompozytowe deski surfingowe.

Często stosowane w konstrukcjach przekładkowych są rdzenie porowate z polichlorku winylu z uwagi na niewysoką cenę, stosunkowo dobre właściwości mechaniczne, a także strukturę porów zamkniętych i trudnopalność. Do wytwarzania konstrukcji przekładkowych na skalę przemysłową stosuje się głównie dwa rdzenie PVC o nazwach handlowych Airex oraz Klegecell.

Pianki poliimidowe

Pianki poliimidowe znajdują zastosowanie w konstrukcjach kadłubów samolotów np. Airbus z powodu dużej termoodporności (od −195 do +180 °C), trudnopalności i bardzo dobrych właściwości mechanicznych, w szczególności wytrzymałości zmęczeniowej. Tego typu pianki cechują się dodatkowo niską gęstością 50 kg/m³.

Pianki fenolowo-formaldehydowe

Pianki fenolowo-formaldehydowe o niewielkiej gęstości 12–25 kg/m³ charakteryzują się małą wytrzymałością mechaniczną i dużą kruchością, ale z powodu dobrej odporności na płomień znajdują zastosowanie w konstrukcjach przekładkowych w środkach komunikacji.

Rdzenie lekkie z drewna

Najpopularniejszym rodzajem drewna do wykonania rdzenia jest drewno balsa (pochodzące z Ameryki Środkowej i Południowej). Drewno to charakteryzuje się niską gęstością do 130 kg/m³, produkcja tego rodzaju drewna jest stosunkowo tania. Przykład zastosowania w Polsce: lekkie kompozytowe wirniki elektrowni wiatrowych produkowanych przez firmę LM Glasfiber w Szczecinie.

Innym stosowanym materiałem jest korek – zewnętrzna obumarła warstwa kory dębu korkowego, uprawianego w zachodniej części Morza Śródziemnego.

Rdzenie komórkowe typu plaster miodu

Rdzenie mają strukturę składającą się z sześciokątów foremnych. Gwarantuje to szczególnie dużą sztywność, przy zachowaniu lekkości konstrukcji przekładkowych. Tego typu rdzenie wytwarza się z papieru impregnowanego najczęściej żywicami fenolowo-formaldehydowymi, z tkanin szklanych z żywicami epoksydowymi, z włókien meta-aramidowych Nomex i para-amidowych Kevlar, z polipropylenu, ABS, poliwęglanu i blach aluminiowych. Stosuje się także wypełnienie sztywnym polimerem porowatym o porach zamkniętych. Takie wypełnienie poprawia wytrzymałość i zabezpiecza przed penetracją wody. Zamknięte pory powodują polepszenie izolacji akustycznej i termicznej.

Materiały komórkowe można dostarczyć w postaci utwardzonej, bądź nieutwardzonej z możliwością dowolnego formowania na powierzchniach zakrzywionych w przestrzeni. Po uformowaniu należy materiał zaimpregnować i utwardzić. Rdzenie produkowane są najczęściej w postaci płyt o grubości 8–50 mm, lub w blokach, z których profil rdzenia można dowolnie wykrawać.

Etapy wytwarzania rdzeni komórkowych^[2]

• naniesienie na folię (blachę, papier, tkaninę) pasów kleju rozmieszczonych przemiennie na kolejnych foliach
• złożenie arkuszy z klejem, ich dociśnięcie, odczekanie na utwardzenie kleju
• rozciągnięcie pakietu złożonych i sklejonych pasmowo folii z wytworzeniem sześciokątnych komórek
• ewentualna impregnacja wytworzonej struktury
• utwardzenie bloku
• cięcie bloku na odpowiednie płyty

Lekkie rdzenie kompozytowe

Lekkie rdzenie stanowią kombinację różnych tkanin z ciągłych i cienkich włókien szklanych i innych, z mat i włóknin, wypełnionych lekkimi, pustymi mikro balonami szklanymi, lub polimerowymi. Rdzenie dostarczane są w postaci taśmy o grubości 1–5 mm, w zależności od struktury materiałowej i grubości absorbują stosunkowo mało żywic laminujących ok. 38% objętości rdzenia. Zwilżanie żywicami poliestrowymi trwa ok. 20–30 s.

Rdzenie kompozycyjne nie tworzą typowych struktur przekładkowych. Są stosunkowo cienkie i zastępują środkowe warstwy wzmocnienia kompozytów litych. Dzięki takiemu wzmocnieniu zamiast np. maty, tkaniny zmniejsza się ciężar laminatu, zwiększa się jego grubość a co za tym idzie sztywność całej konstrukcji.

Przypisy

Bibliografia

• Królikowski Wacław, Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2012
• Kucharczyk Wojciech, Mazurkiewicz Andrzej, Żurowski Wojciech, Nowoczesne materiały konstrukcyjne. Wybrane zagadnienia, Radom, Politechnika Radomska, 2011, Wyd.III
• Muc Aleksander, Nogowczyk Rafał, Formy zniszczenia konstrukcji sandwiczowych z okładzinami wykonanymi z kompozytów, „Kompozyty”, 2005, R. 5, nr 4, s. 31–35.